Đồ án tốt nghiệp Cơ điện tử: Nghiên cứu, thiết kế Robot Scara 3 bậc tự do

Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử nghiên cứu, thiết kế robot Scara 3 bậc tự do. Tài liệu gồm mô hình toán học, hệ thống cơ khí và thuật toán điều khiển.

• Tác giả: Vũ Minh Đức
• Người hướng dẫn: Ths. Lê Ngọc Duy
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế rô bốt Scara 3 bậc tự do
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Robot Scara 3 Bậc Tự Do

Robot Scara (Selective Compliance Assembly Robot Arm) là một loại tay máy công nghiệp hiện đại được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng lắp ráp và xử lý chính xác. Đồ án robot Scara 3 bậc tự do là một nghiên cứu toàn diện kết hợp giữa thiết kế cơ khí và điều khiển tự động. Robot này có ba bậc tự do chính, cho phép chuyển động trong mặt phẳng ngang với độ chính xác cao. Ứng dụng của robot Scara rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp điện tử, thực phẩm, dược phẩm và sản xuất ô tô. Đặc điểm nổi bật là khả năng hoạt động nhanh chóng, chính xác và khả năng tuân thủ cao trong các môi trường sản xuất khắt khe. Việc nghiên cứu thiết kế robot Scara giúp sinh viên nắm vững kiến thức về cơ khí, điện tử, lập trình và tích hợp hệ thống.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Robot Công Nghiệp

Robot công nghiệp bắt đầu phát triển từ những năm 1960 với các ứng dụng hàn và xử lý vật liệu nặng. Robot Scara được phát triển vào năm 1981 bởi Hiroji Makino tại Đại học Yamanashi, Nhật Bản. Loại robot này nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn trong lắp ráp tự động và xử lý chính xác. Sự phát triển của công nghệ điều khiển và vi điều khiển đã nâng cao khả năng của robot Scara hiện đại, cho phép thực hiện các tác vụ phức tạp hơn.

1.2. Ứng Dụng Và Lợi Thế Của Robot Scara

Robot Scara 3 bậc tự do được sử dụng rộng rãi trong sản xuất tự động, lắp ráp điện tử, và xử lý vật liệu. Ưu điểm chính bao gồm: tốc độ hoạt động cao, footprint nhỏ gọn, chi phí vận hành thấp, và độ chính xác cao. Trong thiết kế robot, việc tối ưu hóa kiến trúc cơ khí và hệ thống điều khiển là yếu tố quan trọng để đạt hiệu suất tối ưu.

II. Mô Hình Toán Học Và Phương Pháp Điều Khiển

Mô hình toán học robot Scara là nền tảng để phát triển hệ thống điều khiển hiệu quả. Phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H) được sử dụng để mô tả động học của robot 3 bậc tự do. Phương trình động học thuận xác định vị trí và hướng của end-effector dựa trên các góc khớp, trong khi phương trình động học nghịch tính toán các góc khớp cần thiết để đạt vị trí mục tiêu. Mô hình hóa hệ thống yêu cầu xác định các tham số như độ dài khâu, khối lượng, và moment quán tính. Việc sử dụng ma trận thuần nhất cho phép biểu diễn các phép biến đổi không gian một cách hiệu quả. Lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp là điều kiện tiên quyết cho hiệu suất hoạt động của robot Scara.

2.1. Phương Pháp Denavit Hartenberg Trong Robot Scara

Quy tắc D-H là tiêu chuẩn trong kinematics robot, cho phép xác định vị trí các khâu một cách có hệ thống. Mỗi khâu được mô tả bằng bốn tham số: độ dài khâu (a), góc xoay (α), khoảng cách liên khâu (d), và góc khớp (θ). Áp dụng phương pháp D-H cho robot Scara 3 bậc tự do giúp xây dựng bảng thông số D-H chính xác và ma trận biến đổi đầy đủ.

2.2. Động Học Thuận Và Động Học Nghịch Robot

Phương trình động học thuận sử dụng ma trận thuần nhất để tính toán vị trí end-effector từ các góc khớp. Động học nghịch giải quyết bài toán ngược, tìm các góc khớp cần thiết để đạt vị trí mục tiêu. Đây là bài toán phức tạp trong điều khiển robot, đòi hỏi giải các phương trình phi tuyến. Mô phỏng động học bằng Simulink hoặc MATLAB giúp xác minh tính đúng đắn của mô hình.

III. Thiết Kế Cơ Khí Và Hệ Thống Điện Tử

Thiết kế robot Scara yêu cầu sự kết hợp hoàn hảo giữa hệ thống cơ khí và hệ thống điều khiển điện tử. Thiết kế cơ khí bao gồm xác định độ dài khâu, lựa chọn động cơ, tính toán lực tác động, và thiết kế bộ truyền. Động cơ bước (stepper motor) hoặc động cơ servo thường được sử dụng để điều khiển các khớp. Hệ thống điều khiển điện tử sử dụng vi điều khiển (ví dụ STM32F103C8T6) để xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ. Mạch driver như A4988 cung cấp dòng điện cần thiết cho động cơ. Công tắc hành trình được tích hợp để giám sát vị trí và đảm bảo an toàn hoạt động. Tính toán công suất chính xác đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của toàn bộ hệ thống robot.

3.1. Tính Toán Và Lựa Chọn Thành Phần Cơ Khí

Thiết kế hệ thống cơ khí bắt đầu từ xác định yêu cầu nhiệm vụ như vận tốc hoạt động, tải trọng, và độ chính xác. Tính toán lực tác động trên các khâu sử dụng phân tích động lực để xác định moment cần thiết tại mỗi khớp. Bộ truyền đai hoặc bộ truyền toa bánh răng được thiết kế để giảm tốc độ động cơ và tăng momen. Lựa chọn vật liệu phù hợp như nhôm hoặc thép không gỉ đảm bảo độ cứng và trọng lượng tối ưu.

3.2. Lựa Chọn Vi Điều Khiển Và Hệ Thống Điều Khiển

Vi điều khiển STM32F103C8T6 được lựa chọn vì hiệu suất cao, khả năng xử lý đa tác vụ, và giao diện phong phú. Động cơ bước cung cấp điều khiển vị trí chính xác mà không cần phản hồi. Mạch driver A4988 điều khiển dòng động cơ với hiệu suất cao. Công tắc hành trình phát hiện giới hạn chuyển động để bảo vệ cơ cấu. Sơ đồ điều khiển tích hợp các thành phần này thành một hệ thống tự động hoàn chỉnh.

IV. Lập Trình Mô Phỏng Và Tích Hợp Hệ Thống

Lập trình hệ thống điều khiển là bước quan trọng để đưa robot Scara 3 bậc tự do vào hoạt động. Thuật toán điều khiển được phát triển dựa trên mô hình toán học đã xây dựng, sử dụng ngôn ngữ C/C++ hoặc ngôn ngữ lập trình nhúng khác. Mô phỏng hệ thống bằng Simulink hoặc MATLAB cho phép kiểm tra tính đúng đắn của thuật toán trước khi triển khai thực tế. Lưu đồ thuật toán minh họa quy trình điều khiển từ nhận lệnh đến thực hiện chuyển động. Tích hợp hệ thống bao gồm kết nối các mô-đun điều khiển, cảm biến, và động cơ theo sơ đồ nguyên lý. Kiểm thử thực tế đảm bảo robot hoạt động an toàn, chính xác và theo đúng yêu cầu thiết kế. Tinh chỉnh tham số như tốc độ, gia tốc, và thông số PID cho phép tối ưu hóa hiệu suất.

4.1. Phát Triển Thuật Toán Điều Khiển Robot Scara

Lập trình điều khiển yêu cầu hiểu rõ mô hình toán học và động lực học robot. Thuật toán phải xử lý đầu vào từ cảm biến, tính toán vị trí mục tiêu, và tạo tín hiệu điều khiển cho động cơ. Xử lý thời gian thực đảm bảo phản ứng nhanh chóng của hệ thống. Lưu đồ thuật toán chi tiết hóa từng bước logic, từ khởi tạo đến thực hiện nhiệm vụ. Kiểm tra và sửa lỗi (debugging) là quá trình cần thiết để loại bỏ lỗi logic và lỗi thời gian.

4.2. Mô Phỏng Và Kiểm Thử Toàn Hệ Thống

Mô phỏng Simulink cho phép mô hóa toàn bộ hệ thống robot bao gồm động lực học, điều khiển, và cảm biến. Đồ thị kết quả cho thấy quy luật chuyển động, vận tốc, và gia tốc của các khớp, giúp đánh giá hiệu suất hệ thống. Kiểm thử thực tế trên mô hình vật lý xác nhận tính khả thi của thiết kế và tối ưu hóa các thông số điều khiển. Tích hợp hoàn chỉnh liên kết tất cả các thành phần phần cứng và phần mềm thành một hệ thống hoạt động ổn định.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1. Lịch sử nghiên cứu 1.1 Sơ lược lịch sử quá trình phát triển của robot công nghiệp Thuật ngữ robot xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người.

Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot). Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất. Theo viện nghiên cứu Robot của Mỹ đề xuất định nghĩa: “Robot công nghiệp là tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp Hình 1.1 Robot tay máy 12 Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rêt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc.

Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Ngày nay chuyên ngành khoa học về robot ‘robotics’ đã trở thành 1 lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cáu trúc cơ bản động học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động.2 Robot Scara  Tình hình nghiên cứu và phát triển robot ở Việt Nam Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm vừa qua. Các nghiên cứu về robot ở nước ta liên quan nhiều đến vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh. Đặc biệt, trong lĩnh vực điều khiển robot, ngoài các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt thì các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi cũng đã được đề cập nghiên cứu và áp dụng tại các tổ chức KH&CN.

Bên cạnh đó còn phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY, doanh nghiệp thiết kết và chết tạo robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế. Các nghiên cứu cơ bản về Robot của Việt Nam đã được công bố nhiều trên các Hội Nghị và tạp chí quốc tế. Việc phối hợp với các nước như Nhật, Mỹ, Singapore, Đức tổ chức các hội nghị quốc tế tại Việt nam liên quan đến robot như RESCCE’98, 13 RESCCE’00, RESCCE’02, ICMT2004, ICARCV 2008, ITOMM 2009 là một chuỗi hoạt động khoa học liên tục của cộng đồng Robotics Việt nam hòa nhập vào các hoạt động nghiên cứu khoa học với các nước khu vực và tiên tiến trên thế giới.3 Robot công nghiệp của hãng Tosy Robotics, Việt Nam Song song với chế tạo robot thì các công trình nghiên cứu khoa học về robot được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới. Các nghiên cứu về động học và động lực học rô bốt được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, cơ khí quan tâm cả trong dân sự và quân sự.

Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại rô bốt nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế robot. Lĩnh vực điều khiển robot rất phong phú, từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp học cho robot, các hệ visual servoing…. Lĩnh vực robot di động với nhiều cảm biến dẫn đường và camera đang được nhiều đơn 14 vị trong nước quan tâm nghiên cứu. Các vấn đề xử lý ảnh tốc độ cao, phối hợp đa cảm biến, định vị và lập bản đồ không gian, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho rô bốt di động đã có nhiều công bố trong các Hội nghị cơ điện tử toàn quốc năm 2004, 2006, 2008 và 2010.

Các nghiên cứu về thị giác robot được quan tâm cả ở robot công nghiệp và robot di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều khiển robot trên cơ sở thông tin hình ảnh. Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng và tổng hợp tiếng nói tiêng Việt bắt đầu được chú ý cho các loại robot dịch vụ.4 Xưởng hàn thân xe của hãng xe VinFast Với xu thế toàn cầu hóa, sự phân công lao động trong chuỗi cung sản phẩm và dịch vụ trên thế giới đã không còn giới hạn địa lý. Cơ hội cho mỗi cá nhân, tổ chức có thể tham gia vào các công việc trên thế giới là bình đẳng cho mọi người, mọi dân tộc và mọi quốc gia. Vì vậy, với bối cảnh robot sẽ là trung tâm của cuộc cách mạng công nghệ kế tiếp sau PC- Internet của thế giới trong vòng 20 năm nữa, Việt Nam không thể bỏ lỡ cơ hội này như với máy vi tính PC 30 năm trước.

Để đạt được điều này, chúng ta phải có những định hướng ngay từ bây giờ như:  Về đào tạo: Tập trung phát triển đông đảo nguồn nhân lực có kiến thức toàn diện từ sử dụng đến nghiên cứu phát triển các rô bốt và các ứng dụng liên quan.  Về nghiên cứu: Tập trung cho phát triển trí tuệ của rô bốt từ mức thấp với khả năng giải quyết một vài việc cụ thể đến mức cao với khả năng nhận thức, suy diễn và ra quyết định để rô bốt có thể thích ứng với môi trường tự nhiên và tham gia vào xã hội loài người. 15  Về sản xuất: Tập trung thiết kế và chế tạo các loại rô bốt dịch vụ Việt Nam có tính thực dụng cao, giá rẻ, đơn giản và chuyên dụng cho các công việc cụ thể. Tham gia vào chuỗi cung toàn cầu của các sản phẩm, hệ thống rô bốt từ các công việc tay chân như lắp ráp, gia công đến các công việc trí óc như thiết kế, nghiên cứu và đào tạo.

Chuẩn bị nguồn lực cho các nhu cầu của một xã hội có sự hiện hữu phổ biến của robot trong đời sống hàng ngày. Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam cần có chiến lược dài hạn cho phát triển các nghiên cứu về robot, phát huy vai trò đầu tàu về nghiên cứu cơ bản trong phát triển robot ở Việt Nam, một lĩnh vực trung tâm của cuộc cách mạng công nghệ lớn tiếp theo, có tầm ảnh hưởng đến toàn xã hội loài người trong thời gian 15-20 năm tới. Để có thể hội nhập và phát triển trong xu thế toàn cầu hóa hiện nay Việt Nam cần có một cộng đồng rộng lớn các chuyên gia tâm huyết, có môi trường học tập và nghiên cứu lành mạnh và một chính sách vĩ mô hỗ trợ tri thức phát triển thích nghi được với quá trình “phẳng” hóa thế giới hiện nay.  Các đặc diểm chung của robot:  Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường làm việc  Có khả năng tự học, tự thích ứng với môi trường xung quanh.

 Có thể chuyển động linh hoạt trong môi trường làm việc.  Có khả năng điều khiển được các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng.  Có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã được lập trình trước.2 Giới thiệu chung về cánh tay robot  Lợi ích tuyệt vời khi sử dụng cánh tay robot công nghiệp trong sản xuất Cánh tay robot công nghiệp, tuy nhiên lại có thể di chuyển nhanh hơn nhiều so với cánh tay của con người. Một cánh tay robot công nghiệp làm tăng tốc độ của quá trình sản xuất và độ chính xác.

Những cánh tay robot hoạt động trơn tru giúp cắt giảm gần như tối đa các lỗi trong quá trình sản xuất do người công nhân gây ra và giúp giảm được rất nhiều chi phí lao động.5 Robot tay máy 6 bậc tự do  Cánh tay robot thao tác nhanh và tiết kiệm thời gian hơn con người Mỗi cử động của robot, bao gồm quay, tịnh tiến, cầm nắm, nhấc, dịch chuyển, quay, lật có tải, tiến hành thao tác hàn, lắp ráp…của tay robot đều được con người kiểm soát. Nó được lập trình mô phỏng trong không gian ảo của phần mềm để lường trước những rủi ro về va chạm, quá tải hay bất hợp lý trong chuyển động. Vì vậy, mỗi chuyển động thực tế của robot trong quá trình làm việc sẽ đều là một chuyển động chính xác, trơn tru và không có động tác dư thừa. Bởi trong sản xuất, Cycle Time được tính tối ưu tới đơn vị hàng phần chục hoặc phần trăm giây.

Ngoài ra, chất lượng của sản phẩm có thể bắt đầu được cải thiện do con người cải thiện khả năng Robot. Ví dụ, cắt chính xác xuống các cạnh, tạo ra các mối hàn cứng hơn hoặc khoan các lỗ chính xác. Điều này liên tục được người lập trình điều chỉnh thiết lập tới khi đạt trạng thái hoàn hảo. Từ đó dê dàng cải tiến sản phẩm theo thời gian, đồng thời cải thiện tính toàn vẹn của thương hiệu.6 Robot tay máy hàn ứng dụng trong công nghiệp  Các chuyển động là chính xác và lặp lại hoàn toàn giống nhau Các chuyển động chính xác đem lại kết quả chính xác trên sản phẩm theo đúng yêu cầu kỹ thuật từ đó đảm bảo không có sản phẩm NG do những bất cẩn hoặc thao tác sai trong quá trình làm việc giống như con người.

Bởi con người chúng ta, trong quá trình làm việc, bộ não rất thường xuyên bị đánh mất sự tập trung do các yếu tố chủ quan và khách quan bên ngoài tác động vào.